[发明专利]一种衬底加热共溅射法制备铜锌锡硫薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种衬底加热下共溅射法制备铜锌锡硫薄膜的方法，适用于薄膜太阳电池技术领域。

背景技术

随着化石能源的不断枯竭，追寻绿色可再生能源将是今后人类生活的重要组成部分。而太阳能拥有取之不尽，用之不竭且绿色无污染等特点，是可再生能源中的一大代表，目前已有诸多广泛的应用。太阳电池历经多年发展可分为三代，第一代是晶体硅太阳电池，最早于1954年由贝尔实验室所制造出来的，效率约为6％。经过多年的发展，技术相对成熟，转换效率也较高，但由于其光吸收系数较低，因此需要较多的材料来吸收全部太阳光，目前一般的晶体硅太阳电池的厚度会达到180μm，且在原材料生产、后期加工中原料损耗也不少，导致其价格与传统化石能源发电无法相比。由此应运而生出光吸收系数很高的第二代化合物薄膜太阳电池，其吸收系数一般可达10⁴-10⁵cm^-1，因此所需吸收层厚度大大降低，仅需1μm左右，对原材料的用量要求非常少。第三代太阳电池材料由澳大利亚新南威尔士大学马丁格林教授提出，包括叠层电池、热载流子电池、量子点电池、热光伏电池等，都应是廉价、无毒、转化效率高的光伏材料，但目前第三代太阳电池主要还处于实验室阶段。

化合物薄膜电池种类繁多，主要有Culn(S，Se)₂，CdTe，Cu(InGa)(S，Se)₂(即CIGS)，其中后两种已可与CdS窗口层制成电池，两者的实验室转换效率都已超过21％，十分接近晶体硅太阳电池的实验室转化效率，且部分投入商业化。但构成CIGS和CdTe太阳电池的元素中，Cd和Se的毒性以及In、Ga和Te资源匮乏和价格高昂严重制约着这两类太阳电池的大规模应用。铜锌锡硫(Cu₂ZnSnS₄，CZTS)是在CIGS基础上衍生出的一种化合物薄膜电池。它具有锌黄锡矿结构的材料，是用Zn和Sn替代CIGS中的In和Ga形成的，因此CZTS的组成元素含量丰富，而且无毒，其带隙为直接带隙，数值约为1.5eV，与太阳光光谱十分匹配。CZTS太阳电池理论最高效率为32.4％。

制备CZTS薄膜的方法可分为真空法与非真空法。真空法中，磁控溅射由于其具有组分易控，成膜均匀，沾污小，适合大规模生产等优点而成为一种主要的制备CZTS薄膜的手段。磁控溅射法制备CZTS薄膜一般可分为两步：首先溅射金属或相关金属硫化物的预置层，然后在硫气氛下进行长时间的高温硫化形成CZTS薄膜。其中预置层的制备可分为溅射多层膜法与溅射混合层法，后者的优势在于有利于实现原子级别的均匀混合，薄膜表面粗糙度小，溅射效率高等。而若在溅射过程中引入适当的衬底温度则更能有利于晶粒的结晶，加强薄膜与衬底之间的结合力，改善薄膜的电学性能。